一種電動(dòng)汽車直流充電樁控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

◎葛笑寒

（三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程學(xué)院，河南 三門峽 472000）

目前新能源汽車飛速發(fā)展，充電系統(tǒng)正在形成以“充電樁為主、充電站為輔”的充電網(wǎng)絡(luò)。充電樁分交流和直流兩種。交流充電樁安裝在電動(dòng)汽車外部，為車載充電機(jī)提供交流電源，實(shí)現(xiàn)小電流在線慢速充電[1]。直流充電樁作為充電機(jī)的一部分，通過非車載充電機(jī)直接對動(dòng)力電池充電。功率轉(zhuǎn)換裝置把交流電轉(zhuǎn)化為大功率的直流電能，實(shí)現(xiàn)對動(dòng)力電池充電[2]。該種方式主要針對大功率車輛或者短時(shí)充電需求。隨著新能源汽車的飛速發(fā)展和人們出行對于效率的要求，快速充電技術(shù)作為充電設(shè)施不可缺少的一部分。以LPC2387微處理器為核心，設(shè)計(jì)了能夠?qū)崿F(xiàn)快速充電、結(jié)算準(zhǔn)確的直流充電樁控制系統(tǒng)，完成微處理器單元、人機(jī)交互單元和電能輸出單元硬件電路的設(shè)計(jì)。同時(shí)對充電控制系統(tǒng)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)充電及結(jié)算功能。本設(shè)計(jì)方案的實(shí)現(xiàn)對于充電設(shè)施的推廣也有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

1.1 功能分析

整個(gè)充電樁系統(tǒng)應(yīng)能夠設(shè)定充電方式、通信管理功能、人機(jī)交互功能、電能計(jì)量和充電管理。主要技術(shù)指標(biāo)如下：

1.1.1 基本性能

工作電源為交流電壓：220±10%（充電樁）；交流頻率：50Hz±1Hz；電能度量精度為2級；可設(shè)置分時(shí)段費(fèi)率，統(tǒng)計(jì)費(fèi)用精確度為0.01元。要具備良好的人機(jī)交互功能，能夠顯示運(yùn)行狀態(tài)、操作信息和計(jì)量數(shù)據(jù)等。

1.1.2 符合客戶需求

直流充電樁要面向廣大客戶，簡潔、美觀、實(shí)用是強(qiáng)占市場的重要前提，主要從簡潔的操作流程、可視化的設(shè)計(jì)、多種模式可選等方面滿足用戶需求。另外，也要求裝配、調(diào)試簡單，易于維護(hù)。

1.1.3 保障安全原則

在客流密集的公共領(lǐng)域使用直流充電柱，安全性能則第一重要。具備完善的電氣保護(hù)系統(tǒng)，保障客戶及工作人員和設(shè)備的安全；具備防誤操作，杜絕安全事故發(fā)生。

1.1.4 智能控制原則

電動(dòng)汽車直流充電樁是直接面向用戶的產(chǎn)品，且在無人值守情況下工作。它具有自動(dòng)化的操作流程，以及人機(jī)互動(dòng)的功能。智能化設(shè)計(jì)應(yīng)考慮采用嵌入式控制技術(shù)，可使系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)采集、存儲、處理及系統(tǒng)管理設(shè)計(jì)，人機(jī)交互友好，操作簡單，便于民眾使用。

1.2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)功能要求，設(shè)計(jì)充電樁系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示，電源系統(tǒng)主要有一次回路和二次回路組成；一次電路包括交流電路控制斷路器、直流輸出控制斷路器和充電接口連接器等。二次回路包括充電樁智能控制器、讀卡器和人機(jī)交互界面等。輸入模塊主要是充電模塊與中央控制部分的主控制單元,過CAN接口進(jìn)行通信連接，實(shí)現(xiàn)對電動(dòng)汽車動(dòng)力電池充放電的控制與監(jiān)控工作。中央控制器與智能電能表利用RS485串口通信，實(shí)現(xiàn)電能計(jì)量功能；中央控制器單元系統(tǒng)以微處理器為核心，結(jié)合嵌入式操作系統(tǒng)搭建平臺，通過外圍設(shè)備接口電路的設(shè)計(jì)和應(yīng)用軟件的開發(fā)，實(shí)現(xiàn)充電樁的運(yùn)行管理。并采用合適的輸入、輸出設(shè)備，提供充電樁工作信息顯示與用戶參數(shù)的輸入，實(shí)現(xiàn)充電樁的管理及自助充電功能；輸出控制部分則是實(shí)現(xiàn)了充電電纜的連接確認(rèn)、控制導(dǎo)引與電動(dòng)汽車動(dòng)力電池組的通信連接，具備鎖緊裝置和防誤操作的功能。

圖1 直流充電樁結(jié)構(gòu)框

2 硬件選型與設(shè)計(jì)

充電樁系統(tǒng)主要有電源系統(tǒng)、微處理器單元、人機(jī)交互單元和電能輸出單元構(gòu)成。微處理器控制充電樁系統(tǒng)運(yùn)行；電能輸出單元驅(qū)動(dòng)充電電能通斷繼電器工作；人機(jī)交互界面向用戶提供充電操作流程和顯示各項(xiàng)參數(shù)。電源提供能量，其他三個(gè)單元互相配合實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行。

2.1 電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

直流充電樁電氣系統(tǒng)采用交流220V輸入，經(jīng)輸入斷路器、過壓保護(hù)器FV、熔斷器、交流接觸器和急停按鈕控制單相交流電路的啟停。后級部分經(jīng)單相不可控直流器模塊輸出直流24V電壓，供給二次運(yùn)行狀態(tài)指示燈、充電樁智能控制器、讀卡器和人機(jī)交互界面。信號燈提供“待機(jī)”、“充電”與“充完”狀態(tài)；用戶終端則提供刷卡計(jì)費(fèi)、充電方式設(shè)置與啟?？刂撇僮?。

在充電樁中直流斷路器連接輸入與輸出動(dòng)力電纜，具備輸出過載保護(hù)和短路保護(hù)功能；輸出連接器提供與電動(dòng)汽車連接的充電接口，具備鎖緊裝置和防誤操作的功能。

2.2 微處理單元設(shè)計(jì)

充電樁智能控制器采用MiniARM嵌入式工業(yè)控制模塊CPULPC2387。該微控器自身帶有512KB的高速閃存和128位的存儲接口，支持32位代碼在高速下運(yùn)行。它支持16位或者32位ARM7TDMI實(shí)時(shí)仿真。LPC2387支持以太網(wǎng)和USB通訊，具有高性能的總線系統(tǒng)，保證以太網(wǎng)、USB和閃存之間執(zhí)行程序時(shí)互不影響[3]。如圖2微處理器電路構(gòu)成框圖所示，微處理器電路主要包括電源電路、復(fù)位電路和JTAG接口電路。

圖2 微處理器電路構(gòu)成框架

2.3 人機(jī)交互單元設(shè)計(jì)

2.3.1 LCD觸摸屏的選擇

根據(jù)充電樁露天布置的特點(diǎn)，觸摸屏應(yīng)能夠適應(yīng)外部惡劣環(huán)境的變化，系統(tǒng)采用LR-057ARXJ型號觸摸屏，高品質(zhì)寬屏設(shè)計(jì)，LED背光模組，采用400MHZRISCCPU，使運(yùn)行速度更快，使用內(nèi)置電源隔離保護(hù)器，提高了產(chǎn)品的抗干擾能力，適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境下運(yùn)行。

2.3.2 鍵盤接口電路設(shè)計(jì)

鍵盤要考慮到戶外惡劣的環(huán)境條件。本系統(tǒng)采用一體式鍵盤，控制芯片通過RS232接口通訊，讀取鍵盤的輸入信息?？刂破髡{(diào)動(dòng)內(nèi)部工作程序，將鍵入信息轉(zhuǎn)化為充電樁充電控制參數(shù)，并根據(jù)當(dāng)前工作流程，實(shí)現(xiàn)充電參數(shù)的讀入和控制流程運(yùn)行和切換。其接口電路如圖3示。

2.4 電能輸出控制單元電路設(shè)計(jì)

充電樁使用斷路器控制直流能量通斷，該斷路器具有過載和短路保護(hù)等功能。該跳閘線圈串聯(lián)和加電確認(rèn)、充電連接確認(rèn)繼電器觸點(diǎn)串聯(lián)，一旦非法操作，斷路器的跳閘線圈就動(dòng)作，切斷直流電能。繼電器動(dòng)作是否由控制信號決定，24V信號也無法驅(qū)動(dòng)斷路器線圈。因此，利用24V小型中間繼電器作為控制器件，實(shí)現(xiàn)微控器、繼電器的連鎖控制?？刂菩盘栻?qū)動(dòng)24V繼電器的接口電路如圖4所示，當(dāng)控制器管腳信號有效時(shí)，信號經(jīng)過光耦合器TP521控制24V電壓驅(qū)動(dòng)繼電器，從而實(shí)現(xiàn)充電電纜確認(rèn)信號的通斷控制。實(shí)現(xiàn)直流電能的輸出和停止控制。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用小型實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-II為開發(fā)平臺。它源碼公開、實(shí)時(shí)性好、內(nèi)核小，適合于中小型系統(tǒng)[4]。利用該平臺實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的資源管理，并進(jìn)行充電樁相關(guān)任務(wù)開發(fā)等，主要包括任務(wù)規(guī)劃和充電流程設(shè)計(jì)。

圖3 鍵盤接口電路

圖4 電能輸出控制電路原理

3.1 任務(wù)規(guī)劃

根據(jù)充電樁控制要求，系統(tǒng)主要有7個(gè)任務(wù)規(guī)劃，包括按鍵查詢、按鍵處理、觸摸屏顯示、智能卡讀寫、充電樁參數(shù)設(shè)置、充電過程控制和系統(tǒng)檢測任務(wù)。工作流程如圖5示。

按鍵查詢和處理任務(wù)實(shí)現(xiàn)檢測按鍵的輸入信息，并且接受輸入按鍵信息驅(qū)動(dòng)軟件工作。觸摸屏顯示實(shí)現(xiàn)接收其他實(shí)時(shí)信號，并及時(shí)更新界面顯示信息。智能IC卡實(shí)現(xiàn)尋卡和卡片讀寫操作任務(wù)。充電樁參數(shù)設(shè)置和過程控制任務(wù)實(shí)現(xiàn)充電參數(shù)的輸入和保存。系統(tǒng)檢測按照周期掃描，當(dāng)系統(tǒng)異常時(shí)實(shí)現(xiàn)故障處理。

圖5 系統(tǒng)應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)

3.2 充電樁控制流程設(shè)計(jì)

根據(jù)充電樁的功能要求，規(guī)劃了如圖6示的工作流程。系統(tǒng)啟動(dòng)后，嵌入式系統(tǒng)對充電樁初始化，然后進(jìn)行系統(tǒng)軟硬件自檢，充電樁正常啟動(dòng)后處于待機(jī)狀態(tài)，系統(tǒng)啟動(dòng)結(jié)束?？蛻羰褂贸潆姌断到y(tǒng)時(shí)，第一步先刷卡進(jìn)入系統(tǒng)。如果操作正確，則用戶界面顯示IC卡內(nèi)部的用戶信息、余額等。否則，無效返回，需要重新刷卡。用戶確認(rèn)后，若有未結(jié)賬提示，則結(jié)算電費(fèi)返回上一級。如果沒有未結(jié)賬提示，則提示用戶插接充電接頭。若界面顯示連接正確，則進(jìn)入充電方式選擇環(huán)節(jié)，選擇手動(dòng)或者自動(dòng)方式后確認(rèn)。系統(tǒng)根據(jù)充電機(jī)加電狀態(tài)標(biāo)志判斷加電確認(rèn)。確認(rèn)通過，扣除預(yù)售金額進(jìn)入充電狀態(tài)。充電結(jié)束，調(diào)用電量結(jié)算子程序結(jié)算電費(fèi)，并提示插入IC卡結(jié)賬。讀卡確認(rèn)后，拔下接口電纜，充電結(jié)束。如果讀卡超時(shí)，則記錄未結(jié)賬戶，重新刷卡結(jié)賬。

充電過程中，嵌入式系統(tǒng)獲取充電狀態(tài)參數(shù)（電壓、時(shí)間)等并顯示。以充電模式、充電電量、充電電量、充電金額、充電機(jī)狀態(tài)和人工干預(yù)為判據(jù)判斷充電過程是否結(jié)束。當(dāng)判斷出非車載充電機(jī)已結(jié)束充電，提示用戶結(jié)賬。若讀卡超時(shí)，則提示用戶再次刷卡，完成本次交易。

圖6 直流充電樁刷卡交易流程

圖7 UC3845PWM及輸出波形

圖8 交易測試界面

4 系統(tǒng)測試

4.1 電源系統(tǒng)測試

用萬用表測試控制板的電源系統(tǒng)為24V電壓，各芯片的輸入電源正常。IGBT的驅(qū)動(dòng)信號測試：控制器的驅(qū)動(dòng)電路由UC3845芯片實(shí)現(xiàn)，該芯片第6管腳輸出PWM信號控制開關(guān)管的通斷。其PWM信號和5V輸出電壓波形如圖7所示。輸出直流信號無脈動(dòng)，整體滿足要求。完成后臺充電柜的相關(guān)調(diào)試后，接入交流電源，用萬用表對主回路和控制回路檢測，系統(tǒng)正常，啟動(dòng)設(shè)備后使設(shè)備進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。

4.2 人機(jī)交互系統(tǒng)測試

顯示器能顯示運(yùn)行狀態(tài)、計(jì)費(fèi)信息等；觸摸鍵盤，能夠輸入數(shù)據(jù)，且具有手動(dòng)設(shè)置參數(shù)及控制功能；指示燈表征充電樁不同的工作狀態(tài)。將充電樁輸出接口連接到動(dòng)力電池組上，費(fèi)率為0.67元/度，設(shè)置按金額充電。充電結(jié)束時(shí)充電樁顯示充電時(shí)間1小時(shí)30分，充電電量為10度，消費(fèi)金額為6.70元，充電電壓為400V，電流為15A。如圖8交易測試界面所示，通過測試可知:充電樁可以識別并正確讀取IC卡信息；可以實(shí)施顯示充電信息，可以和后臺實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)通訊；可準(zhǔn)確讀寫IC卡內(nèi)余額信息，按實(shí)際消費(fèi)收取充電費(fèi)用；

5 結(jié)論

筆者設(shè)計(jì)了以LPC2387為主控芯片的電動(dòng)汽車直流充電樁控制系統(tǒng)，通過對硬件的選型、接口電路的設(shè)計(jì)、軟件任務(wù)規(guī)劃和軟件流程的設(shè)計(jì)，建立了充電樁控制系統(tǒng)的軟硬件模型框架，最后對系統(tǒng)進(jìn)行了測試，電源系統(tǒng)和人機(jī)交互系統(tǒng)均能滿足功能要求。該設(shè)計(jì)能滿足用戶對車輛快速充電的需求，具有快捷方便的特點(diǎn)。但是它依賴于大型充電站設(shè)施的建設(shè)，故而目前沒有大規(guī)模的普及。隨著新能源汽車的增加，設(shè)計(jì)對于電動(dòng)汽車充電設(shè)備的研發(fā)及基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)具有一定的參考意義。